2016-2017学年高中物理第1章电磁感应第1节磁生电的探索教师用书鲁科版选修

第1节磁生电的探索学 习 目 标知 识 脉 络1.了解电磁感应现象的探索过程，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神.2.知道什么是电磁感应现象，理解感应电流产生的条件(重点、难点)3.进一步认识磁通量的概念，能对磁通量的变化进行定性分析和定量计算(难点)电 磁 感 应 的 探 索 历 程事件意义电生磁1820年，奥斯特发现了电流的磁效应拉开了研究电与磁相互关系的序幕磁生电菲涅耳、安培、科拉顿、亨利等致力于磁生电的研究科学探索是曲折的，真理追求是执着的1831年，法拉第发现了电磁感应现象揭示了电和磁的内在联系，引领人类进入电气时代1如图111所示：图111把一条导线平行地放在磁针的上方附近，当导线中有电流通过时，磁针会发生偏转，首先观察到这个实验现象的物理学家是安培()2“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应()3首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特()很多科学家在磁生电的探究中为什么没有获得成功？【提示】很多科学家在实验中没有注意磁场的变化，导体与磁场之间的相对运动等环节，只想把导体放入磁场中来获得电流，这实际上违反了能量转化和守恒定律，磁生电是一种在变化、运动过程中才能出现的效应探讨1：奥斯特发现电流的磁效应引发了怎样的思考？法拉第对此持有怎样的观点？【提示】在自然界和谐统一的科学信念下，相信自然力是统一的，物理关系都是对称的，认为既然电流可以产生磁场；反过来，磁场也可以产生电流探讨2：法拉第经历了大量的失败，失败的原因是什么？【提示】失败的主要原因在于受传统观念的影响，只注意寻找静态和稳定的感应电流而忽略了对动态过程的观察探讨3：你认为法拉第成功的秘诀是什么？【提示】经过多次失败之后，法拉第仍然坚持研究，正是由于他不懈的努力，正是以他有准备的头脑及敏锐的洞察力，才捕捉到了稍纵即逝的偶然现象1奥斯特的“电生磁”电流的磁效应显示了载流导体对磁针的作用力，揭示了电现象与磁现象之间存在的某种联系奥斯特实验中，通电导线南北方向放置，导线下面的小磁针发生偏转2法拉第的“磁生电”“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才出现的效应，法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系，这就是：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体他把这些现象定名为电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流1首先发现电流的磁效应和电磁感应现象的物理学家分别是()A安培和法拉第B法拉第和楞次C奥斯特和安培D奥斯特和法拉第【解析】1820年，丹麦著名物理学家奥斯特发现了电流的磁效应.1831年，英国著名物理学家法拉第发现了电磁感应现象选项D正确【答案】D21825年，瑞士物理学家德拉里夫的助手科拉顿将一个螺线管与电流计相连为了避免强磁性磁铁影响，他把电流计放在另外一个房间，当他把磁铁插入螺线管中后，立即跑到另一个房间去观察，关于科拉顿进行的实验，下列说法正确的是()A在科拉顿整个操作过程中，电流计指针不发生偏转B将磁铁插入螺线管瞬间，电流计指针发生偏转，但科拉顿跑到观察时，电流计指针已不再偏转C科拉顿无法观察到电流计指针偏转的原因是当时电流计灵敏度不够D科拉顿无法观察到电流计指针偏转的原因是导线过长，电流过小【解析】科拉顿将磁铁放入螺线管时，穿过线圈的磁通量变化，回路中产生感应电流，电流计指针偏转，之后，穿过线圈的磁通量保持不变，回路中无感应电流，电流计指针不偏转，但由于科拉顿放完磁铁后跑到另一室观察，所以他观察不到偏转只有B项正确【答案】B科学探究过程与方法下面的框图可以简要展示法拉第发现电磁感应规律的科学探究过程与方法科 学 探 究 感 应 电 流 产 生 的 条 件1探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图112所示)图112实验操作实验现象(有无电流)分析论证导体棒静止无闭合电路包围的面积变化时，电路中有电流产生；包围的面积不变时，电路中无电流产生导体棒平行磁感线运动无导体棒切割磁感线运动有2.探究磁铁在线圈中运动是否产生感应电流(如图113所示)图113实验操作实验现象(有无电流)分析论证N极插入线圈有线圈中的磁场变化时，线圈中有感应电流；线圈中的磁场不变时，线圈中无感应电流N极停在线圈中无N极从线圈中抽出有S极插入线圈有S极停在线圈中无S极从线圈中抽出有3模仿法拉第的实验(如图114)图114实验操作实验现象(线圈B中有无电流)分析论证开关闭合瞬间有线圈B中磁场变化时，线圈B中有感应电流；磁场不变时，线圈B中无感应电流开关断开瞬间有开关保持闭合，滑动变阻器滑片不动无开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片有4.产生感应电流的条件只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生电流1只要闭合线圈内有磁通量，闭合线圈就有感应电流产生()2闭合线圈内有磁场，就有感应电流()3穿过闭合线圈的磁通量发生变化，线圈中一定会有感应电流()闭合导体回路在磁场中运动一定产生感应电流吗？【提示】不一定若闭合导体回路在磁场中运动时，穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，导体回路中就会产生感应电流；若闭合导体回路在磁场中运动时，穿过闭合导体回路的磁通量不变，导体回路中就没有感应电流探讨1：保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中上下运动(如图甲所示)线框中是否产生感应电流？【提示】图甲中，线框在磁场中上下运动的过程中，穿过线框的磁通量没有发生变化，所以无感应电流产生探讨2：保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中左右运动(如图乙所示)线框中是否产生感应电流？【提示】图乙中，线框在磁场中左右运动的过程中，尽管切割磁感线，但是穿过线框的磁通量没发生变化，所以无感应电流产生探讨3：线框绕轴线AB转动(如图丙所示)线框中是否产生感应电流？图115【提示】图丙中，线框绕轴线AB转动，会使穿过线框的磁通量发生改变，有感应电流产生1感应电流产生的两个条件(1)电路闭合；(2)穿过电路的磁通量发生变化2判断穿过回路的磁通量是否发生变化穿过闭合电路的磁通量发生变化，大致有以下几种情况：(1)磁感应强度B不变，线圈面积S发生变化，如闭合电路的一部分导体切割磁感线时(2)线圈面积S不变，磁感应强度B发生变化，如线圈与磁体之间发生相对运动时或者磁场是由通电螺线管产生而螺线管中的电流变化时(3)磁感应强度B和线圈面积S同时发生变化，此时可由10计算并判断磁通量是否变化(4)线圈面积S不变，磁感应强度B也不变，但二者之间夹角发生变化，如线圈在磁场中转动时3在如图所示的条件下，闭合矩形线圈能产生感应电流的是()【解析】A选项中因为线圈平面平行于磁感线，在以OO为轴转动的过程中，线圈平面始终与磁感线平行，穿过线圈的磁通量始终为零，所以无感应电流产生；B选项中，线圈平面也与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，竖直向上运动过程中，线圈平面始终与磁感线平行，磁通量始终为零，故无感应电流产生；C选项中尽管线圈在转动，但B与S都不变，B又垂直于S，所以BS始终不变，线圈中无感应电流；而D选项，图示状态0，当转过90时BS，所以转动过程中穿过线圈的磁通量在不断地变化，因此转动过程中线圈中产生感应电流【答案】D4(多选)如图116所示，开始时矩形线圈与磁场垂直，且一半在匀强磁场中，另一半在匀强磁场外，若要使线圈中产生感应电流，下列方法中可行的是()图116A将线圈向左平移一小段距离B将线圈向上平移C以AB边为轴转动(小于60)D以AD边为轴转动(小于90)【解析】线圈左右移动时，线圈在匀强磁场中的面积发生变化，故有感应电流产生上下移动线圈时，B与S均未发生变化，故无感应电流产生若以AB边为轴转动，B与S的夹角发生变化，同样以AD边为轴转动时，B与S的夹角发生变化引起磁通量的变化，产生感应电流故选项A、C、D正确【答案】ACD5(多选)在匀强磁场中有两条平行的金属导轨，磁场方向与导轨平面垂直；导轨上有两条可沿导轨自由移动的导体棒ab、cd，这两个导体棒的运动速度分别为v1、v2，如图117所示，则下列四种情况，ab棒中有感应电流通过的是()图117Av1v2Bv1v2Cv1v2Dv1v2【解析】题中导轨位于匀强磁场中，只要满足v1v2，回路的面积发生变化，从而磁通量发生变化，回路中就有感应电流产生【答案】ABC判断是否产生感应电流的方法判断一个回路中是否产生感应电流，可以用以下方法：(1)看回路是否闭合，如果回路不闭合时，无论如何也不会产生感应电流(2)看磁场方向与回路平面之间的关系，即磁场的方向与回路平面是垂直、平行或成某一夹角(3)看穿过回路的磁感线的条数是否发生变化，若变化则产生感应电流，否则不产生感应电流学业分层测评(一)(建议用时：45分钟)学业达标1下列现象中，属于电磁感应现象的是()A接入电路后的电流表指针发生了偏转B变化的磁场使闭合电路产生感应电流C插入通电螺线管中的软铁棒被磁化D接通电源后的电铃不断发出响声【解析】A中表针偏转是靠磁场对电流的作用，A错；B中变化的磁场引起闭合回路磁通量的变化，产生感应电流，属于电磁感应现象，B对；C中软铁棒被磁化是磁现象，C错；通电的电铃不断发出铃声是利用了电流的磁效应，D错【答案】B2在物理学史上，奥斯特首先发现电流周围存在磁场随后，物理学家提出“磁生电”的设想很多科学家为证实这种设想进行了大量研究.1831年发现电磁感应现象的物理学家是()A牛顿B伽利略C法拉第D焦耳【答案】C3.用导线将灵敏电流表与金属棒连接成一个磁生电的实验电路，如图118所示，则下列哪种操作能使指针偏转() 【导学号：78870000】图118A使导体ab向左(或向右)移动B使导体ab向上(或向下)移动C使导体ab沿ab的方向移动D使导体ab沿ba的方向移动【解析】要使闭合回路中产生感应电流，导体棒需切割磁感线，选项B、C、D中导体棒在磁场中运动，但没有切割磁感线，均错误【答案】A4如图119所示，导线ab和cd互相平行，则下列四种情况下导线cd中无电流的是()图119A开关S闭合或断开的瞬间B开关S是闭合的，但滑动触头向左滑C开关S是闭合的，但滑动触头向右滑D开关S始终闭合，不滑动触头【解析】如果导线cd中无电流产生，则说明通过上面的闭合线圈的磁通量没有发生变化，也就说明通过导线ab段的电流没有发生变化显然，开关S闭合或断开的瞬间、开关S是闭合的但滑动触头向左滑的过程、开关S是闭合的但滑动触头向右滑的过程都会使通过导线ab段的电流发生变化，都能在导线cd中产生感应电流【答案】D5如图所示，各导体框在匀强磁场中运动方向图中已标出，能产生感应电流的是()【解析】A图中，回路不闭合，回路中无感应电流B、C 中虽有切割且回路闭合，但磁通量不发生变化，回路中无感应电流【答案】D6一条形磁铁与导线环在同一平面内，磁铁的中心恰与导线环的圆心重合，如图1110所示，为了在导线环中产生感应电流，磁铁应() 【导学号：78870001】图1110A绕垂直于纸面且过O点的轴转动B向右平动C向左平动DN极向外转动，S极向里转动【解析】本题考查感应电流的产生条件，解决本题的关键是清楚条形磁铁的磁感线分布情况图中位置穿过导线环平面的磁通量为零，要使导线环中有感应电流，只要让导线环中有磁感线穿过，就会有磁通量的变化，A、B、C的运动，导线环内磁通量始终为零，只有D正确【答案】D7(多选)如图1111所示，竖直放置的长直导线通以恒定电流I，有一矩形线框与导线在同一平面内，在下列过程中线框中产生感应电流的是()图1111A导线中电流变大B线框向右平动C线框向下平动D线框以ab边为轴转动【解析】A中，导线中电流变大，线框内磁场变强，磁通量变大，有感应电流；B中，线框向右平动，远离导线，磁通量变小，有感应电流；C中，线框向下平动，磁通量不变，无感应电流；D中，磁通量发生周期性变化，有感应电流【答案】ABD8.如图1112所示，ab是水平面上一个圆的直径，在过ab的竖直平面内有一根通电导线ef.已知ef平行于ab，当ef竖直向上平移时，电流磁场穿过圆面积的磁通量将()【导学号：78870002】图1112A逐渐增大B逐渐减少C始终为零D不为零，但保持不变【解析】利用右手螺旋定则判断电流产生的磁场，作出俯视图，考虑到磁场具有对称性，可以知道，进入线圈的磁感线的条数与穿出线圈的磁感线的条数是相等的故选C.【答案】C能力提升9(多选)如图1113所示，金属裸导线框abcd放在水平光滑金属导轨上，在磁场中向右运动，匀强磁场垂直水平面向下，则()图1113AG1表的指针发生偏转BG2表的指针发生偏转CG1表的指针不发生偏转DG2表的指针不发生偏转【解析】虽然线圈abcd构成的闭合回路中没有磁通量的变化，但电流表G1和线框abcd构成的闭合回路中磁通量发生变化，有感应电流流过G1和G2，选A、B.【答案】AB10(多选)某一实验装置如图1114所示，在铁芯P上绕着两个线圈A和B，如果线圈A中的电流I和时间t的关系有下列A、B、C、D四种情况，则在t1t2这段时间内，线圈B中有感应电流的是()图1114【解析】线圈A中通有电流时，螺线管会产生磁场，当电流发生变化时会引起磁场的变化，从而使线圈B中的磁通量发生变化，线圈B中将产生感应电流，所以选项B、C、D正确【答案】BCD11(多选)如图1115所示，一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中，下列做法能使圆盘中产生感应电流的是()【导学号：78870003】图1115A圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动B圆盘以某一水平直径为轴匀速转动C圆盘在磁场中向右匀速平移D磁感应强度均匀增加【解析】只有当圆盘中的磁通量发生变化时，圆盘中才会产生感应电流当圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动或圆盘在磁场中向右匀速平移时，圆盘中的磁通量不发生变化，不能产生感应电流，故选项A、C错误；当圆盘以某一水平直径为轴匀速转动或磁感应强度均匀增加时，圆盘中的磁通量发生变化，圆盘中将产生感应电流，故选项B、D正确【答案】BD12.边长l10 cm的正方形线框固定在匀强磁场中，磁场方向与线框平面间的夹角30，如图1116所示磁感应强度随时间变化的规律为B(23t) T，则第3 s内穿过线框的磁通量的变化量为多少？【导学号：78870004】图1116【解析】第3 s内就是从2 s末到3 s末，所以2 s末的磁场的磁感应强度为B1(232)T8 T，3 s末的磁场的磁感应强度为B2(233) T11 T则BSsin (118)0.12sin 30 Wb1.5102 Wb.【答案】1.5102 Wb13.如图1117所示，有一垂直纸面向里的匀强磁场，B0.8 T，磁场有明显的圆形边界，圆心为O，半径为1 cm.现在纸面内先后放上圆线圈A、B、C，圆心均处在O处，A线圈半径为1 cm，10匝；B线圈半径为2 cm，1匝；C线圈半径为0.5 cm，1匝问： 【导学号：78870005】图1117(1)在B减为0.4 T的过程中，A和B中磁通量分别改变了多少？(2)在磁场转过30角的过程中，C中磁通量改变了多少？【解析】(1)分析可知B与A线圈磁通量始终一样，故它们的改变量也一样Br2(0.40.8)3.14(1102)2 Wb1.256104 Wb.所以A和B中磁通量都减少了1.256104 Wb.(2)对C线圈，1Br2，当磁场转过30时，2Br2cos 30，故21Br2(cos 301)8.4106 Wb.所以C中磁通量减少了8.4106 Wb.【答案】(1)减少1.256104 Wb减少1.256104 Wb(2)减少8.4106 Wb13